2023 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring new device frontiers using ultra-high quality oxide heterostructures
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22H04948
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401143)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 正起 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30508198)
Le DucAnh 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Keywords | 酸化物 / スピントロニクス / 分子線エピタキシー / ヘテロ構造 / スピン流 / トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来、半導体を用いたスピントランジスタの研究では、良好なスピン注入やバリスティック伝導を実現することが難しく、スピンバルブ比が1～10%と小さいことが大きな問題となっていた。本研究では、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)MnO3 (LSMO)を用いて半導体系で得られていた値の10倍以上におよぶ世界最高値のスピンバルブ比(140%)をもつスピントランジスタを実現することに成功した［Adv. Mater. 35, 2300110 (2023).］。本研究では、LSMOがアルゴン照射により半導体転移することを見出したことと、本グループでここ数年にわたり開拓してきた武田先端知クリーンルームを活用した微細加工技術を応用することにより、本成果が得られた。
水溶性のSr4Al2O7薄膜のエピタキシャル成長に成功し、その上に成長した10nm程度の膜厚の(La,Sr)MnO3を、SrTiO3基板から剥がすことに成功した。得られた薄膜は、基板上の薄膜と比べ磁化が増大し、キュリー温度も増大し、磁気的不活性層が低減したことが明らかになった。これは室温応用に向けて有望な結果であると言える［Appl. Phys. Lett. 124, 062403 (2024).］。
Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、磁場で抵抗が25000%も変化する抵抗スイッチ効果を観測した。予想外の結果であり、現在原理の理解を進めている［Adv. Mater. 36, 2307389 (2024).］。
強磁性半導体の単一層膜におけるスピン軌道トルクのゲート制御に初めて成功した。[Adv. Sci. 10, 2301540 (2023). ]、また、二次高調波を用いて、強磁性半導体のスピン軌道トルクを導出することに初めて成功した。[Appl. Phys. Lett. 123, 152402 (2023).]
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究において、2022年から2023年にかけて得られた大きなスピンバルブ比をもつ酸化物スピントランジスタの成果、世界最高値のスピン流電流変換効率、および予想外の磁気抵抗スイッチ効果の発見などの研究成果が、国際的に高い評価を受けている。スピントランジスタの研究では、酸化物におけるナノ領域の相転移技術を用いることで世界最高値となる約140%のスピンバルブ比を実現し、半導体では従来困難であった100%以上のスピンバルブ比をを達成した。LaTiO3/SrTiO3界面に形成された二次元電子ガスを利用して、世界最大のスピン流電流変換効率を実現した研究では、強相関金属とスピン軌道相互作用の大きな二次元電子ガス系を組み合わせることで、効率的なスピン流の注入と電流への変換を可能にした。本材料系のスピントロニクス応用の研究は、世界的に全く行われておらず、独自かつ世界的に先駆的な結果と言える。また、予想外の結果として、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、磁場で抵抗が25000%も変化する抵抗スイッチ効果を観測した研究は、従来電界で制御されていた抵抗スイッチを「磁場でも制御できる」ことを示したもので、新しいマルチフィールドセンサやニューロモルフィックコンピューティングへの応用が期待されている。これらの研究成果は、それぞれ高いインパクトファクターを持つ学術誌[Nature Communications誌１報, Advanced Materials誌2報]に掲載され、東京大学からのプレスリリースを通じて広く紹介された。さらに、論文の筆頭著者の学生による国際会議での招待講演（２件）や、研究を行った博士学生に対して日本学術振興会の育志賞や東京大学総長賞が授与されており、上記の成果対する評価の高さが窺える。従って、当初の計画以上に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、酸化物ベースのスピントランジスタのさらなる高度化、スピン流電流変換のスピントロニクスデバイス応用、酸化物フレキシブルスピンデバイスの作製、および巨大磁気抵抗スイッチ効果の原理解明と増大を目指す。酸化物ベースのスピントランジスタに関しては、大きなスピンバルブ効果を実現できたため、今後はゲート変調の増大を目指す方針である。具体的には、従来用いてきたバックゲート方式に代わるトップゲート方式の開発を検討している。また、室温での応用を視野に入れ、LaSrMnO3(LSMO)の磁気不活性層の低減や室温で強磁性を示す材料の探索も行う予定である。昨年度の研究で、フレキシブルLSMO薄膜において、磁気不活性層の低減とキュリー温度の増大を実現することができた。従って、デバイスの室温動作応用の研究においては、本研究で開拓したフレキシブル薄膜作製技術も応用できると期待している。スピン流電流変換については、強相関金属LaTiO3を中間層とする方法が有望であることが明らかになり、Intelが提案しているMagneto-Electric Spin-Orbit(MESO)デバイス素子への応用や、不揮発性メモリの低消費電力化への応用を検討していきたい。またさらに、スピン流電流変換効率の増大に向けて、スピン軌道相互作用のより大きな二次元電子系の開発も検討したい。昨年度の研究で、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスで巨大磁気抵抗スイッチ効果が予期せず観測されたが、その起源を解明することがまずは重要な目標である。第一原理計算により、MgO中の導電性フィラメントの形成を制御することにより、本現象が巨大化することが予想されている。また、それにより、動作温度も上昇することが期待されている。さらに、素子構造を工夫することなどにより、本現象の巨大化を目指したい。
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[Journal Article] Colossal magnetoresistive switching (CMRS) induced by d0 ferromagnetism of MgO in a semiconductor nanochannel device with ferromagnetic Fe/MgO electrodes2024
Author(s)
S. Ohya, S. Tsuruoka, M. Kaneda, H. Shinya, T. Fukushima, T. Takeda, Y. Tadano, T. Endo, L. D. Anh, A. Masago, H. Katayama-Yoshida, and M. Tanaka
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Journal Title
Adv. Mater.
Volume: 36
Pages: 2307389
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Giant spin-valve effect in planar spin devices using an artificial implemented nanolength Mott-insulator region2023
Author(s)
T. Endo, S. Tsuruoka, Y. Tadano, S. Kaneta-Takada, Y. Seki, M. Kobayashi, L. D. Anh, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
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Journal Title
Adv. Mater.
Volume: 35
Pages: 2300110
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Giant spin-valve effect and FET operation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2023
Author(s)
Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Giant spin-valve-like behavior induced by magnetic-field-controlled resistive switching in an Fe/MgO/Ge-based two-terminal device2023
Author(s)
Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Tatsuro Endo, Takahito Takeda, Yuriko Tadano, Tetsuya Fukushima, Hikari Shinya, Akira Masago, Masaaki Tanaka, Hiroshi Katayama-Yoshida, and Shinobu Ohya
Organizer
2023 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
Int'l Joint Research
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